泥河灣盆地吉家莊遺址地層易溶鹽沉積記錄的古氣候信息

李瀟麗

北京自然博物館，北京 100050

1 區(qū)域地質(zhì)概況

早期人類活動(dòng)區(qū)域的湖泊古氣候-水文環(huán)境變化與古人類活動(dòng)密切相關(guān)。泥河灣盆地（廣義）地處黃土高原東北部邊緣，蒙古高原向華北平原過(guò)渡地帶，屬大陸性季風(fēng)氣候。盆地屬汾渭裂谷東北端的一個(gè)晚新生代斷陷盆地[1-2]，地理范圍西起山西朔州-大同，向東延伸至河北陽(yáng)原和蔚縣，包括大同盆地、泥河灣盆地[（狹義，也稱陽(yáng)原盆地）]和蔚縣盆地[3]（圖1a）。蔚縣盆地地處泥河灣盆地的東南部，近年來(lái)的調(diào)查和發(fā)掘顯示，該區(qū)域是早期人類活動(dòng)的重要區(qū)域，其中盆地東北部的吉家莊-黃梅一帶聚集了大量早期人類活動(dòng)遺址，是研究泥河灣盆地（廣義）乃至華北中更新世環(huán)境變化與人類適應(yīng)行為的重要地區(qū)[4-5]。在晚新生代漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，蔚縣盆地曾構(gòu)成了泥河灣古湖的一部分，自早更新世初期，通過(guò)壺流河地塹與北側(cè)的陽(yáng)原盆地，共同組成一個(gè)較大的湖[6-7]。盆地在早更新世至晚更新世早期一直保存有湖水，并發(fā)育河湖相地層；晚更新世早期以后，受控于構(gòu)造抬升和溯源侵蝕，湖水逐漸消失，河湖相地層停止發(fā)育，上部覆蓋了馬蘭期黃土沉積[8-9]。

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，與大氣圈、生物圈和巖石圈有密切聯(lián)系。湖泊沉積物巖性和多種化學(xué)指標(biāo)的變化，記錄了其形成、發(fā)展和消亡的過(guò)程，被認(rèn)為是過(guò)去環(huán)境變化的信息庫(kù)。以K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42－、CO32－、HCO3－和Cl－等8 類離子為主的易溶于水的鹽類，占天然水離子總量的95%以上，且常保存在湖泊沉積物中[10]。一般來(lái)講，湖水的化學(xué)性質(zhì)多受區(qū)域氣候條件的影響，易溶鹽的含量?？煞从澈幕瘜W(xué)特征[11]。因此，湖泊沉積物中的易溶鹽含量特征，不僅可以重建古湖水的性質(zhì)，而且可揭示古水文特征與氣候變化。碳酸鹽是湖泊沉積物的重要化學(xué)組分之一，在沉積物中含量較高且分布廣泛，其碳和氧穩(wěn)定同位素組成對(duì)氣候變化較為敏感，是揭示湖泊氣候變化的理想指標(biāo)[12-13]。近年來(lái)，在內(nèi)陸湖泊沉積物研究領(lǐng)域，易溶鹽常作為一種替代性指標(biāo)，在揭示湖泊氣候和環(huán)境變化領(lǐng)域效果明顯[14-16]。在對(duì)泥河灣古湖的性質(zhì)、演化階段和古環(huán)境研究過(guò)程中，易溶鹽發(fā)揮了重要作用[17]；同時(shí)，以探討泥河灣古湖性質(zhì)和古水文狀況與人類活動(dòng)關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，易溶鹽含量在揭示東谷坨遺址[18]與麻地溝遺址[19]的研究中同樣取得了理想的結(jié)果。因此，易溶鹽分析在揭示泥河灣古湖氣候、環(huán)境演化與人類活動(dòng)關(guān)系方面是一項(xiàng)重要手段。

圖1 泥河灣盆地吉家莊遺址-B 地點(diǎn)地理位置圖1-東谷坨遺址，2-麻地溝遺址，3-小渡口，4-紅崖南溝，5-鋪路，6-吉家莊遺址。Fig.1 Geographic map of the Jijiazhuang site, Nihewan basin1-Donggutuo site, 2-Madigou site, 3-Xiaodukou, 4-Hongya Nankou, 5-Pulu, 6-Jijiazhuang site.

吉家莊遺址位于蔚縣吉家莊鎮(zhèn)北側(cè)的河湖相地層內(nèi)，地理坐標(biāo)為40°01′18″～21″N、114°51′01″～47″E，海拔910～920 m（圖1b），是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)和發(fā)掘的重要古人類活動(dòng)遺址，對(duì)揭示蔚縣盆地中更新世古人類演化、生存行為及其環(huán)境適應(yīng)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值[4]。野外發(fā)掘顯示，泥河灣古湖的湖濱相沉積保留了豐富的古人類活動(dòng)遺物[5]，沉積物蘊(yùn)含的氣候變化信息對(duì)古人類活動(dòng)產(chǎn)生了重要影響。因此，本文對(duì)遺址剖面地層進(jìn)行易溶鹽與碳酸鹽碳氧穩(wěn)定同位素分析，揭示吉家莊遺址中更新世古人類活動(dòng)階段的古水文狀況、氣候變化及其與早期人類活動(dòng)的關(guān)系。

2 吉家莊遺址地層與年代

2.1 地層

蔚縣盆地為四面環(huán)山的山間斷陷盆地，總面積約4 315 km2。盆地地勢(shì)在西合營(yíng)一帶最低，向四周逐漸升高，海拔高度為880～980 m。壺流河自山西廣靈自西向東橫貫蔚縣盆地西部，在西合營(yíng)向北經(jīng)北水泉于陽(yáng)原縣小渡口匯入桑干河。作為壺流河的支流，定安河自盆地東部的逐鹿縣大堡向西流經(jīng)蔚縣桃花，在吉家莊折向西北，在黃梅鄉(xiāng)小棗碾?yún)R入壺流河（圖1a、b）。作為泥河灣古湖的重要組成部分，蔚縣盆地在早—中更新世屬于內(nèi)陸斷陷湖泊，斷層活動(dòng)的作用導(dǎo)致湖泊發(fā)育晚期盆地邊緣地帶整體抬升[6-7]，湖水逐漸消亡。目前，盆地內(nèi)壺流河-定安河以南為小五臺(tái)山山前沖洪積扇，地形相對(duì)平緩；壺流河-定安河?xùn)|北為洪積-湖積臺(tái)地[5]。定安河和壺流河的下切使得該臺(tái)地的泥河灣河湖相堆積出露，其中吉家莊-黃梅-北水泉區(qū)域河湖相地層出露良好，是以往開展地質(zhì)和古生物研究相對(duì)較多的區(qū)域，吉家莊遺址就位于這個(gè)區(qū)域。

吉家莊遺址位于河北省蔚縣吉家莊鎮(zhèn)北側(cè)的河湖相地層陡坎內(nèi)，定安河支流長(zhǎng)溝切割河湖相沉積，形成高約20 m 的剖面。遺址由A、B、C、D 和E共5 個(gè)地點(diǎn)組成，其中吉家莊B（JJZ-B）地點(diǎn)揭露典型河湖相地層，出土早期人類活動(dòng)留下的石制品和動(dòng)物化石，是揭示古人類生存行為和環(huán)境適應(yīng)的關(guān)鍵遺址[5]。遺址周邊地層主體為河湖相沉積，由灰-灰綠-灰黃色細(xì)砂、粉砂和黏土組成，頂部為后期馬蘭期黃土覆蓋，厚度超過(guò)20 m。其中JJZ-B 地點(diǎn)揭露地層厚度12 m，地層剖面自上而下依次為（圖2）：

圖2 吉家莊遺址-B 地點(diǎn)地層剖面Fig.2 JJZ-B section at the Jijiazhuang-B site

① 褐黃色黃土，發(fā)育柱狀節(jié)理，層內(nèi)可見鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)構(gòu)疏松，頂面為農(nóng)田和果樹，與下伏地層不整合接觸，厚2.0～3.0 m。

② 棕灰色黏土，致密堅(jiān)硬，鈣質(zhì)結(jié)核零星分布于層內(nèi)，層內(nèi)可見水平層理，與下伏地層整合接觸，厚0.3～0.4 m。

③ 灰黑—灰綠色黏土，結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)堅(jiān)硬，發(fā)育水平層理，本層橫向分布穩(wěn)定，與下伏地層整合接觸，厚0.4 m。

④ 棕紅—棕黃色粉砂質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)堅(jiān)硬，上部夾厚約10 cm 的鈣質(zhì)結(jié)核層，層內(nèi)發(fā)育弱的水平層理，與下伏地層整合接觸，厚0.8～1.0 m。

⑤ 灰紅—棕黃色粉砂，結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)堅(jiān)硬，層內(nèi)發(fā)育黃色鐵質(zhì)浸染銹斑，層內(nèi)可見弱的波狀層理和水平層理，與下伏地層整合接觸，厚0.8～1.0 m。

⑥ 棕黃色粉砂質(zhì)黏土，致密堅(jiān)硬，黃色銹斑浸染呈條帶狀分布于下部層位，層內(nèi)發(fā)育弱的水平層理和波狀層理，與下伏地層整合接觸，厚1.0～1.2 m。

⑦ 棕灰色細(xì)砂，粒度均一，層內(nèi)偶見黃色銹斑條帶，發(fā)育弱的水平層理和波狀層理。底部偶見粗砂，可見小規(guī)模斜層理，對(duì)下伏地層有沖刷現(xiàn)象，接觸面可見泥礫，出土零星哺乳動(dòng)物化石和螺類化石碎屑，厚 2.4～2.6 m。

⑧ 棕灰—棕黃色砂層，層內(nèi)發(fā)育黃色銹斑，波狀層理和交錯(cuò)層理可見，螺類化石碎屑不均勻分布在層內(nèi)，與下伏地層接觸面起伏不平，有沖刷改造現(xiàn)象。石制品和動(dòng)物化石出土于本層下部，厚0.7～0.9 m。

⑨ 灰黃—棕灰—灰綠色黏土，結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)堅(jiān)硬，層內(nèi)發(fā)育黃色銹斑，層內(nèi)可見弱的水平層理，與下伏地層整合接觸，厚 1.0～1.5 m。

⑩ 灰綠—灰黑色黏土，結(jié)構(gòu)致密，層內(nèi)偶見黃色銹斑，發(fā)育弱的水平層理，未見底，厚度＞3.0 m。

JJZ-B 地點(diǎn)剖面揭露的泥河灣河湖相地層總體沉積物為細(xì)砂、粉砂和黏土，粗顆粒的砂層常發(fā)育斜層理，指示地層沉積過(guò)程中曾有較強(qiáng)水流的參與；在粉砂層和黏土層內(nèi)常可見弱的波狀層理和水平層理，指示此類沉積物堆積時(shí)水動(dòng)力條件較弱；同時(shí)，地層內(nèi)發(fā)育黃色鐵質(zhì)浸染的銹斑，顯示湖濱沉積環(huán)境的特點(diǎn)。在剖面第8 層下部出土豐富的古人類活動(dòng)遺物。

2.2 年代

泥河灣盆地以出露華北第四紀(jì)河湖相堆積為學(xué)術(shù)界所關(guān)注，河湖相地層上部為馬蘭期黃土覆蓋。吉家莊周邊的河湖相堆積出土豐富的哺乳動(dòng)物化石，顯示中更新世動(dòng)物群的特點(diǎn)，以披毛犀、草原野牛、馬和鹿等食草類動(dòng)物群成員居多。在發(fā)掘過(guò)程中，我們用鋁鈹埋藏測(cè)年法對(duì)遺址剖面采集了樣品，26Al/10Be 測(cè)年的初步結(jié)果顯示，古人類在該遺址活動(dòng)的年代大致為（0.33±0.13）～（0.51±0.10） MaBP，屬中更新世。

3 樣品采集與測(cè)試

發(fā)掘過(guò)程中，作者清除剖面上部松散沉積物，以10 cm 為樣品間距，自上而下連續(xù)采集第1 至9 層地層樣品（圖2）。本剖面共采集樣品85 個(gè)，均進(jìn)行易溶鹽含量測(cè)試。

樣品的易溶鹽和pH 值的檢測(cè)過(guò)程按照相關(guān)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[17-19]，易溶鹽離子的濃度單位以mg/L 表示。

樣品碳氧穩(wěn)定同位素測(cè)試首先用瑪瑙研缽將含有碳酸鹽膠結(jié)物的樣品研磨至200 目，烘箱105 ℃溫度烘烤樣品2 h，去除吸附水。在75 ℃下烘烤Gasbench 在線制樣設(shè)備的樣品管，烘干后將含有約0.2 mg 碳酸鹽膠結(jié)物的樣品放入樣品管中并封蓋。用高純氦氣將樣品管中的空氣排出。用酸泵酸針向樣品管中加過(guò)量的100% 磷酸。在25 ℃時(shí)磷酸與樣品中的方解石反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，用高純氦氣將生成的CO2氣體帶入MAT253 質(zhì)譜儀測(cè)試方解石的C、O 同位素組成。然后再進(jìn)行排空氣步驟，在75 ℃時(shí)磷酸與樣品中的白云石反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，用質(zhì)譜測(cè)量白云石的C、O 同位素組成。每5 個(gè)樣品加入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用參考?xì)鈱?duì)其比對(duì)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果以PDB 為標(biāo)準(zhǔn)，記為δ13CVPDB（精度優(yōu)于0.1‰），δ18OVPDB（精度優(yōu)于0.2‰）。碳酸鹽樣品 的 標(biāo) 準(zhǔn) 為GB04416（δ13CVPDB＝（1.61±0.03）‰；δ18OVPDB＝（?11.59±0.11）‰）及GB04417（δ13CVPDB＝（-6.06±0.06）‰；δ18OVPDB＝（-24.12±0.19）‰）。

在室內(nèi)分析過(guò)程中，考慮到上部1 m 為后期的馬蘭期黃土堆積，并非湖相沉積，故本文僅對(duì)第②—⑨層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以解釋泥河灣古湖的化學(xué)性質(zhì)和古氣候信息。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 易溶鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1 所示實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)來(lái)看，吉家莊B 地點(diǎn)所代表的剖面指示的泥河灣古湖總體屬于HCO3－-SO42－-Na＋型，剖面總含鹽量為66.7～490.0 mg/L，平均值為133.4 mg/L。碳酸氫根離子（HCO3－）為易溶鹽主要的陰離子，含量為43.1～96.2 mg/L，平均值為69.1 mg/L，硫酸根離子（SO42－）和氯離子（Cl－）次之，平均含量分別為24.9 和13.0 mg/L，碳酸根離子（CO32－）含量最低，平均值僅為7.9 mg/L。陽(yáng)離子以Na＋為主，含量為9.9～73.1 mg/L，平均值達(dá)到22.3 mg/L，Mg2＋、K＋和Ca2＋相對(duì)較少，但含量相差不大，平均值分別為10.4、9.9 和8.2 mg/L。剖面含鹽量（以mg/kg 計(jì)算）為0.33‰～2.45‰，平均值為0.67‰。按照湖盆鹽度指示不同湖水性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（鹽度＜0.3‰為淡水湖，0.3‰～24‰為半咸水湖，＞24‰則為咸水湖[20]）來(lái)看，吉家莊遺址所對(duì)應(yīng)的泥河灣古湖屬于半咸水湖。此外，湖泊沉積物中的含鹽量?？芍甘竞幕瘜W(xué)特征及湖泊演化階段，隨著氣候向干旱化方向發(fā)展，湖水逐漸濃縮，主要離子常呈現(xiàn)以Ca2＋-HCO3－-CO32－為主→以Mg2＋-Ca2＋-SO42－為主→以Na＋-K＋-Cl－為主的演化過(guò)程[21]。因此，吉家莊B 地點(diǎn)剖面易溶鹽總體特征（HCO3－-SO42－-Na＋型）指示該剖面所示的泥河灣古湖屬于碳酸鹽湖向硫酸鹽湖的過(guò)渡階段。相關(guān)研究表明，泥河灣古湖淺湖區(qū)古湖水性質(zhì)以SO42―-Ca2＋-Mg2＋為主，早期是半咸水湖，以井兒洼和雪兒溝剖面（圖1c）為代表（平均含鹽量分別為44.3 和22.1 mg/g），晚期易溶鹽則以Cl－-Na＋-K＋為主，指示湖水鹽度增加[17]。而湖濱區(qū)由于受河川和湖水位的變化影響，其易溶鹽數(shù)值較低且存在波動(dòng)，以紅崖南溝和鋪路剖面（圖1b）為代表（平均鹽量分別為17.2‰和17.9‰）。從古人類活動(dòng)遺址的剖面來(lái)看，處于湖濱區(qū)的東谷坨遺址剖面含鹽量（圖1b）僅為0.6 mg/g[18]，與東谷坨遺址相距僅400 m 的麻地溝遺址剖面（圖1b）的易溶鹽平均含量為11.4 mg/g[19]；吉家莊B 地點(diǎn)代表的泥河灣古湖鹽度與東谷坨遺址剖面的易溶鹽含鹽量接近，此現(xiàn)象可能是由于兩處遺址同處于泥河灣古湖邊緣地帶，屬于湖濱環(huán)境，沉積顆?？傮w較淺湖區(qū)偏粗，顆粒比表面積較小，造成顆粒吸附鹽分能力降低所致；同時(shí)，湖濱區(qū)常有地表降水補(bǔ)給和徑流發(fā)育，對(duì)沉積物含鹽量有稀釋作用，也可能是導(dǎo)致淺湖區(qū)含鹽量較低的原因。

表1 吉家莊B 地點(diǎn)地層剖面易溶鹽各離子含量Table 1 Dominant ions in soluble salt from JJZ-B site

吉家莊B 地點(diǎn)剖面所揭示的泥河灣層pH 值為8.1～9.5，平均8.9，偏堿性。陳茅南[20]對(duì)整體泥河灣層的pH 值的測(cè)定結(jié)果為6.9～9.7，總體趨于偏堿性。吉家莊遺址一帶的泥河灣古湖pH 值均高于陽(yáng)原盆地東部的麻地溝遺址平均值（8.0）和東谷坨遺址pH 平均值（8.7）[18-19]，也高于陽(yáng)原盆地東部岑家灣臺(tái)地西緣的小渡口泥河灣層（圖1b）的pH 平均值8.6[22]。鑒于吉家莊遺址的年代處在中更新世中后期，已屬于泥河灣古湖演化的晚期，因此推測(cè)古湖演化后期堿性有增加的趨勢(shì)。

4.2 古湖易溶鹽諸離子縱向變化特征

半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊蒸發(fā)作用常超過(guò)大氣降水的補(bǔ)給，蒸發(fā)與降水的補(bǔ)給關(guān)系改變著K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－和CO32－等主要離子的構(gòu)成以及含鹽量的變化，各離子含量沿剖面的縱向變化特征與湖泊的演化密切相關(guān)[17]。圖3 為不同離子與含鹽量沿剖面的縱向變化趨勢(shì)，其中SO42－、Cl－、Na＋、Ca2＋和Mg2＋等5 類離子的變化曲線與總含鹽量的變化呈現(xiàn)較大的一致性；但HCO3－離子含量變化與上述離子卻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，該離子總量在該剖面整體處于一個(gè)較高值而波動(dòng)，后期進(jìn)一步降低。

圖3 吉家莊遺址地層剖面易溶鹽各離子含量變化曲線Fig.3 Vertical distribution patterns of soluble salts along the section of JJZ-B site

從圖3 所示的不同離子隨剖面深度的變化曲線來(lái)看，吉家莊遺址剖面所揭示的泥河灣古湖易溶鹽演化可大致劃分為A→D 共4 個(gè)階段。A 階段為剖面的7.8 m 以下沉積，此階段剖面含鹽量總體處于一個(gè)相對(duì)較低的階段，且表現(xiàn)為一個(gè)逐漸降低的趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)陰離子HCO3－處于高值而波動(dòng)，SO42－和Cl－處于剖面的低值且保持穩(wěn)定；陽(yáng)離子Na＋、Mg2＋和Ca2＋均處于剖面的相對(duì)低值且保持穩(wěn)定，而K＋處于相對(duì)的低值且波動(dòng)明顯。B 階段處于剖面的4.9～7.8 m，該階段含鹽量和Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－和SO42－等離子處于相對(duì)低值且含量較為穩(wěn)定；優(yōu)勢(shì)陰離子HCO3－由剖面的最低值而緩慢升高，但波動(dòng)明顯，其他離子除含量低的CO32－和K＋離子處于剖面的相對(duì)高值而波動(dòng)明顯外，其他離子包括Cl－、SO42－、Na＋、Ca2＋和Mg2＋均處于剖面的最低值且保持穩(wěn)定。C 階段處于剖面的1.8～4.9 m，該階段含鹽量與Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－和SO42－等5 類離子的變化相似，表現(xiàn)為由低到高的變化過(guò)程，后期達(dá)到剖面的最高值；優(yōu)勢(shì)陰離子HCO3－在相對(duì)高值波動(dòng)，CO32－離子則表現(xiàn)為由高到低的急劇波動(dòng)并緩慢降低；K＋離子表現(xiàn)為由高到低再升高的波動(dòng)變化趨勢(shì)。D 階段為剖面的1.0～1.8 m 沉積，該段含鹽量與Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO42－和Cl－等5 類離子變化趨勢(shì)總體一致，呈現(xiàn)由低到高的過(guò)程，但變化幅度相對(duì)較小，后期未達(dá)到C 階段后期的剖面最高值；K＋離子表現(xiàn)為由低到高的波動(dòng)趨勢(shì)，而HCO3－則表現(xiàn)為一個(gè)由高而緩慢降低的變化趨勢(shì)，CO32－離子處于一個(gè)相對(duì)的低值而緩慢升高。

總之，從優(yōu)勢(shì)陰離子HCO3－和SO42－離子的變化趨勢(shì)來(lái)看，前者較高、波動(dòng)明顯，至后期降低，而后者前期較為穩(wěn)定，至后期升高至相對(duì)的高值；同時(shí)，CO32－和Cl－離子的變化也表明，CO32－逐漸降低，Cl－和SO42－離子逐漸升高。優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子的變化表明，除Na＋離子的含量緩慢升高達(dá)到剖面的最大值外，其他陽(yáng)離子的含量則相對(duì)較低，不及優(yōu)勢(shì)陰離子的含量。上述演化趨勢(shì)表明湖水性質(zhì)處于自碳酸鹽湖向硫酸鹽湖演化的過(guò)渡階段，由于Cl－離子的總體含量較低，推測(cè)該時(shí)期的泥河灣古湖尚未達(dá)到氯化物湖階段。

5 古人類活動(dòng)時(shí)期的氣候變化

吉家莊遺址剖面處于泥河灣古湖湖濱環(huán)境，是地表水和湖水交互作用頻繁區(qū)域。根據(jù)各主要離子比值與沉積物碳酸鹽δ13C、δ18O 含量，并結(jié)合沉積物特點(diǎn)，作者嘗試解讀古人類活動(dòng)時(shí)期古氣候及湖水化學(xué)性質(zhì)變化過(guò)程。

5.1 湖泊沉積物代用指標(biāo)的意義

內(nèi)陸半干旱區(qū)湖泊沉積物中含鹽量變化反映了區(qū)域內(nèi)湖面蒸發(fā)量與補(bǔ)給的關(guān)系，同時(shí)指示了古氣候變化與干濕的氣候旋回[15-17]。Cl－離子對(duì)封閉湖盆氣候變化非常敏感，隨流域降水量增多，湖水位上升，大量氯化物溶解于水，導(dǎo)致少量Cl－保存于沉積物中，其含量較低；反之，若流域變干，湖水濃縮，水中Cl－的濃度增大，保存于沉積物中的Cl－增多[23]。陰離子（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）和Cl－/SO42－可 以 反 映 優(yōu) 勢(shì) 陰 離 子，（Na＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）和Ca2＋/Mg2＋相結(jié)合，常反映優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子。一般來(lái)講，淡水中的陰離子以HCO3－+CO32－為主，隨著鹽度的增高，Cl－+SO42－會(huì)逐漸成為優(yōu)勢(shì)陰離子，（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）的比值降低可反映湖水的咸化；隨著湖水鹽度的增高，Cl－相對(duì)于SO42－會(huì)增高，Cl－/SO42－比值的增高可反映湖水的咸化[15]。K 和Na 屬堿性元素，化學(xué)性質(zhì)最為活躍，在干旱氣候條件下最易富集[24]，因此，（Na＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）能反映區(qū)域降水的變化，高的比值代表氣候相對(duì)干旱，降水量相對(duì)較??；Ca 和Mg 是活動(dòng)性中等的元素，在半干旱—半濕潤(rùn)的氣候條件下，常較多地被溶解和遷移，一般來(lái)說(shuō)，Ca2＋離子含量越高指示氣候環(huán)境相對(duì)干冷[25-26]；淡水湖中以Ca2＋離子為主，隨著鹽度的增高，Mg2＋離子會(huì)相對(duì)增高，湖水中高鹽度會(huì)對(duì)應(yīng)于Ca2＋/Mg2＋比值的低值[19]。

湖泊自生碳酸鹽能指示區(qū)域環(huán)境的變化，其碳、氧穩(wěn)定同位素含量的高低可以有效指示湖水的咸化與淡化，從而反映氣候的變化[13]。研究表明，湖泊水體析出的碳酸鹽氧同位素的變化可以指示湖水溫度的變化，湖泊δ18O 值的變化進(jìn)而可以反映湖泊匯水區(qū)的氣溫變化。低δ18O 值常反映較高的湖水溫度和較為溫暖的氣候階段，而高δ18O 值反映較低的湖水溫度和較為寒冷的氣候階段[27-29]；同時(shí)，δ18O 值高指示湖泊水體處于蒸發(fā)期，湖泊水體鹽度較高，反之則為濃縮期[30]。湖泊自生碳酸鹽碳同位素的含量主要受湖水的鹽度影響，鹽度高，湖水含有溶解大氣CO2量少，碳酸鹽富集碳同位素[27]。對(duì)于處于碳酸鹽沉積階段的湖泊而言，湖水鹽度的高低指示湖泊水體的蒸發(fā)濃縮程度，蒸發(fā)作用強(qiáng)對(duì)應(yīng)湖水鹽度相對(duì)較高，其δ13C 值也高，低的δ13C 值常反映湖水蒸發(fā)作用相對(duì)較弱，鹽度較低[12,30]。

5.2 湖水化學(xué)性質(zhì)變化

綜合各主要指標(biāo)縱向上含量的變化，對(duì)應(yīng)易溶鹽各離子的變化過(guò)程，可將剖面劃分為4 個(gè)化學(xué)性質(zhì)與氣候變化階段（圖4）。

第1 階段處于剖面的第9 層，為灰—灰黑色黏土，偶夾粉砂層。pH 值為8.5～9.1，平均值8.9，處在一個(gè)相對(duì)的低值并顯示一個(gè)由高到低再升高的過(guò)程，顯示湖水堿性的波動(dòng)趨勢(shì)。沉積物的含鹽量為98.9～157.0 mg/L，平均值為112.4 mg/L，處在剖面的相對(duì)低值，但存在進(jìn)一步降低的過(guò)程。（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）比值由剖面的低值快速升高，而Cl－/SO42－比值由剖面的相對(duì)高值快速降低又升高，Ca2＋/Mg2＋比值在相對(duì)的低值波動(dòng)。碳酸鹽δ13C、δ18O 值處于剖面的相對(duì)高值，顯示蒸發(fā)作用相對(duì)較強(qiáng)。上述變化表明湖水的鹽度和咸化程度相對(duì)較高。

第2 階段的沉積物對(duì)應(yīng)于剖面的第7 層中下部至第8 層，以砂層偶夾粉砂沉積為主。pH 值為8.3～9.5，平均值9.1，處在剖面的最高值，從縱向變化趨勢(shì)來(lái)看，pH 值由剖面的最高值逐漸降低并存在較大波動(dòng)，表明湖水堿度增大，后期微弱下降且存在波動(dòng)。沉積物的含鹽量為6.7～98.0 mg/L，平均值86.3 mg/L，較前一階段降低，處在剖面的最低值，且含量穩(wěn)定。（HCO3－+CO32－)/（Cl－+SO42－)比值相對(duì)前一階段逐漸降低且存在較小的波動(dòng)，Cl－和SO42－處于相對(duì)的低值，但Cl－/SO42－比值由低快速升高至剖面的峰值后緩慢降低；Ca2＋/Mg2＋比值則緩慢升高至剖面的峰值，后期微降，且存在波動(dòng)。碳酸鹽δ13C、δ18O 值由剖面的低值小規(guī)模升高后又降低并保持穩(wěn)定，顯示蒸發(fā)濃縮程度減弱。上述變化顯示，本階段湖水鹽度相對(duì)前一階段降低，湖水咸化程度也處于剖面的最低階段。

第3 階段對(duì)應(yīng)于剖面的第4 至第7 層上部，主要為粉砂質(zhì)黏土夾砂層。pH 值為8.1～9.3，平均值8.9，較前一階段略低且在波動(dòng)中逐漸降低，表明湖水的堿性降低。沉積物的含鹽量為79.0～490.0 mg/L，平均值為140.1 mg/L，較前一階段升高；從縱向的變化來(lái)看，含鹽量由低值逐漸升高，在后期達(dá)到剖面的峰值。（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）比值在早期快速升高至剖面的峰值，后期逐漸減低；Cl－/SO42－比值變化與（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）比值變化正好相反，由剖面的低值快速升高，后期略有降低；含鹽量由低到高，Ca2＋/Mg2＋比值則是一個(gè)緩慢降低的過(guò)程，且存在微弱的波動(dòng)。碳酸鹽δ13C 值相對(duì)前一階段升高，δ18O 值由剖面的低值緩慢升高，后期達(dá)到剖面最高值，顯示蒸發(fā)程度增強(qiáng)。此階段的上述指標(biāo)變化表明，湖水咸化程度和鹽度均逐漸增強(qiáng)至剖面的最高值。

第4 階段相當(dāng)于剖面第②—③層，沉積物主要為黏土。pH 值為8.5～8.8，平均值8.7，較前一階段繼續(xù)降低，表明湖水堿性降低，呈弱堿性。沉積物含鹽量為255.0～400.0 mg/L，平均值305.9 mg/L，雖總體上較前一階段要高，但同前一階段的峰值相比則表現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)的低值且有緩慢升高的趨勢(shì)。（HCO3－+CO32－）/（Cl－+SO42－）和Cl－/SO42－比值均處于低值且較為穩(wěn)定，Ca2＋/Mg2＋比值從相對(duì)的高值快速降低，并維持在一個(gè)較低的水平。碳酸鹽δ13C 值相對(duì)前一階段降低，δ18O 值由前一階段快速降低并存在較大波動(dòng)，指示湖泊蒸發(fā)作用降低。本階段的指標(biāo)變化顯示，湖水的鹽度和咸化程度處于相對(duì)較高時(shí)期。

5.3 古氣候變化

圖4 吉家莊遺址地層易溶鹽指標(biāo)變化曲線Fig.4 Soluble salt indicator curves from Jijiazhuang site

從吉家莊遺址剖面沉積特點(diǎn)和易溶鹽主要指標(biāo)的變化曲線（圖4）來(lái)看，沉積物顆粒粗細(xì)和含鹽量的變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即粗顆粒含量較高層位（砂層）對(duì)應(yīng)含鹽量低值，而細(xì)顆粒含量較高層位（黏土層）對(duì)應(yīng)含鹽量相對(duì)較高時(shí)期，這可能與細(xì)顆粒的吸附能力較強(qiáng)有關(guān)[15-17]。結(jié)合各主要指標(biāo)縱向上含量的變化，相應(yīng)地也可將剖面劃分為4 個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)不同的古氣候特征。

第1 階段：本階段相當(dāng)于易溶鹽含量的A 階段，沉積物主要為黏土。Cl－離子含量處于相對(duì)的低 值，反 映 氣 候 相 對(duì) 較 濕；（Na＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）比值由剖面的中低值快速降至剖面的最低值并保持穩(wěn)定，反映區(qū)域降水較多；Ca2＋/Mg2＋比值同樣處于剖面的最低值波動(dòng)，表明氣候相對(duì)濕潤(rùn)。碳酸鹽δ18O 值處于剖面的最高值，表明溫度較低；δ13C 值處于相對(duì)高值，顯示蒸發(fā)作用較強(qiáng)。在此階段，氣候總體特點(diǎn)表現(xiàn)為冷濕，湖水位相對(duì)較高。

第2 階段：本階段對(duì)應(yīng)易溶鹽含量的B 階段，沉積物以砂為主，顆粒較前一階段增大。（Na＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）比值由前一階段的低值快速升高并緩慢降低，后期略微升高，且存在一定的波動(dòng)，反映區(qū)域降水減少而蒸發(fā)作用相對(duì)變強(qiáng)；Ca2＋/Mg2＋比值由低值在波動(dòng)中升高至剖面的峰值，后期略微降低，表明氣候向干涼轉(zhuǎn)變。碳酸鹽δ18O 值由剖面的最低值而升高，表明溫度較前一階段升高；δ13C 值表現(xiàn)由高到低的變化，顯示蒸發(fā)作用逐漸降低，鹽度也隨之降低。在此階段，氣候特點(diǎn)表現(xiàn)為向干涼的方向轉(zhuǎn)變，但氣候波動(dòng)較大，湖水位降低。

第3 階段：本階段對(duì)應(yīng)易溶鹽含量的C 階段，沉積物以粉砂質(zhì)黏土夾砂為主，顆粒較前一階段減小。Cl－離子含量由剖面的低值緩慢升高，在后期達(dá)到剖面的峰值，指示氣候變干的趨勢(shì)加?。唬∟a＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）比值表現(xiàn)為由相對(duì)的低值快速升高至剖面的峰值，后期又進(jìn)一步降低，總體波動(dòng)較大，反映區(qū)域降水逐漸減少，后期有增多的趨勢(shì)；Ca2＋/Mg2＋比值則表現(xiàn)為由高到低的緩慢波動(dòng)，表明氣候總體較前一階段的干涼程度加劇。碳酸鹽δ18O 值由剖面的低值而升高，表明溫度轉(zhuǎn)涼；δ13C 值較前一階段稍高，顯示蒸發(fā)作用變強(qiáng)，鹽度升高。在此階段，氣候總體表現(xiàn)為干涼，后期濕度和降雨增加，對(duì)應(yīng)湖水位由低而緩慢升高。

第4 階段：本階段對(duì)應(yīng)易溶鹽含量變化的D 階段，沉積物主要為黏土，與第1 階段一致。Cl－離子含量較前一階段降低，后期緩慢升高，表明氣候向潮濕的方向轉(zhuǎn)變；（Na＋+K＋）/（Ca2＋+Mg2＋）比值處于相對(duì)的低值，表明區(qū)域降水增多；Ca2＋/Mg2＋比值則快速下降并保持相對(duì)的低值，表明氣候相對(duì)溫濕。碳酸鹽δ18O 值在剖面的高值降低并存在波動(dòng)，表明溫度轉(zhuǎn)暖；δ13C 值處于相對(duì)低值，顯示蒸發(fā)作用較弱，鹽度降低。本階段氣候總體上相對(duì)溫暖濕潤(rùn)，湖水位較高。

5.4 古人類活動(dòng)時(shí)期環(huán)境變化特征

在早期人類起源與演化過(guò)程中，古人類棲息地湖泊的演化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，湖泊擴(kuò)張和收縮而帶來(lái)的湖水面變化直接影響著早期人類活動(dòng)范圍；同時(shí)，湖泊沉積物所揭示的氣候與環(huán)境變化對(duì)早期人類的活動(dòng)范圍與適應(yīng)方式亦產(chǎn)生重要影響，被視為古人類演化過(guò)程的重要環(huán)境要素[31-32]。泥河灣盆地廣泛發(fā)育的湖相地層與早期人類活動(dòng)遺存，為揭示華北古人類演化與環(huán)境關(guān)系提供了理想的前提[33-35]。

相關(guān)研究表明，泥河灣裂谷發(fā)育并接受沉積大約在3.5～3.0 MaBP[36-37]，隨著新生代構(gòu)造的抬升，泥河灣古湖開始階段性地發(fā)育，湖水存在較大波動(dòng)。至早更新世的1.9～1.8 Ma，古湖顯著擴(kuò)張，首次形成穩(wěn)定的湖泊，這可能與此時(shí)的東亞夏季風(fēng)相關(guān)[38]；此時(shí)，早期人類開始擴(kuò)散至泥河灣盆地并開始占據(jù)這個(gè)高緯度的環(huán)境[39-41]。泥河灣盆地東部和蔚縣盆地的古湖演化研究表明，大約1.9 MaBP,壺流河地塹開始發(fā)育，蔚縣盆地和陽(yáng)原盆地構(gòu)成了統(tǒng)一的古湖[6-7,38]。在泥河灣古湖演化過(guò)程中，中更新世氣候轉(zhuǎn)型期（Middle Pleistocene Climatic Transition）曾出現(xiàn)一次顯著的震蕩擴(kuò)縮期；古湖第二次顯著擴(kuò)張發(fā)生在中更新世，中更新世晚期的300 ka 前后古湖出現(xiàn)第二次收縮并在中—晚更新世之交最終消亡[6-7, 9 38, 42]。

泥河灣盆地早期人類活動(dòng)遺址的分布和古湖演化有密切關(guān)系，其中早更新世的遺址均分布在桑干河和壺流河交匯處東南側(cè)的岑家灣湖積臺(tái)地[41,43-44]，古人類活動(dòng)遺址均分布在湖濱環(huán)境，顯示了早期人類對(duì)水資源的依賴。中更新世的地層則以蔚縣盆地的吉家莊-黃梅湖積臺(tái)地較為發(fā)育；近期的研究工作表明，古人類仍多活動(dòng)于湖濱環(huán)境[4-5]。吉家莊遺址剖面記錄了中更新世沉積序列，從沉積體系、易溶鹽和碳酸鹽碳氧同位素指標(biāo)的變化所反映的古氣候信息來(lái)看，遺址剖面總體屬于湖濱相沉積，期間經(jīng)歷了大致4 個(gè)氣候變化階段。在剖面下部的第⑨—⑩層的第1 階段，氣候相對(duì)冷濕，區(qū)域降水量相對(duì)較多，湖水面較高，未見有人類活動(dòng)遺物的發(fā)現(xiàn)。在第2 至3 階段，氣候較第1 階段變得干涼，湖水位下降，遺址一帶為湖濱環(huán)境，季節(jié)性片流發(fā)育，在第2 階段早期地層保存了豐富的石制品和動(dòng)物化石，表明湖水位退去后，古人類在遺址進(jìn)行頻繁的石制品制作，同時(shí)可能有動(dòng)物肢解與消費(fèi)行為；在第3 階段由于干旱加劇，湖水位進(jìn)一步萎縮，古人類遠(yuǎn)離遺址。在剖面記錄的古氣候變化第4 階段，氣候向相對(duì)溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，但尚未有古人類活動(dòng)遺物的發(fā)現(xiàn)。

6 結(jié)論

（1）吉家莊遺址地層的易溶鹽分析表明，此剖面代表的泥河灣古湖屬于HCO3－-SO42-Na＋型，pH 值平均為8.9，偏堿性；剖面平均含鹽量為0.67‰，屬于半咸水湖，處于半干旱區(qū)湖泊演化過(guò)程中碳酸鹽湖向硫酸鹽湖演化的過(guò)渡階段。

（2）SO42－、Cl－、Na＋、Ca2＋和Mg2＋這5 類離子的變化曲線表現(xiàn)出較大的相似性，且它們與含鹽量的變化大體一致。各主要離子的縱向變化大致劃分為A→D 共4 個(gè)階段，代表了湖泊演化的不同階段。

（3）根據(jù)離子比值、碳酸鹽δ13C、δ18O 含量變化并結(jié)合剖面沉積特點(diǎn)，將湖泊沉積物所揭示的氣候演化劃分為4 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)湖水性質(zhì)變化和古氣候及古水文特征。古人類活動(dòng)時(shí)期對(duì)應(yīng)于第2 階段早期古湖水位降低且相對(duì)干涼的湖濱環(huán)境。

（4）古人類在湖濱活動(dòng)期集中在水位降低、氣候向干涼轉(zhuǎn)變階段。該環(huán)境條件利于水分蒸發(fā)、湖泊邊緣含鹽量上升。泥河灣盆地[38]和西伯利亞地區(qū)等古人類活動(dòng)遺址[45]曾發(fā)現(xiàn)此類線索，吉家莊遺址的后期工作還可開展更廣視野的區(qū)域?qū)Ρ群蛯W(xué)科交叉研究。

致謝：遺址的野外發(fā)掘由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所裴樹文研究員主持，樣品采集得到該單位研究生馬東東和徐哲的協(xié)助；易溶鹽和碳酸鹽碳、氧穩(wěn)定同位素的測(cè)試在核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心完成，作者致以衷心的感謝！